凍害劣化を受けるＲＣ床版に関する実験的研究
Experimental study on reinforced concrete slab suffered by freezing and thawing deterioration
社団法人北海道開発技術センター 正会員 ○赤代 恵司（ Shakushiro Keiji ） 北武コンサルタント株式会社 正会員 渡邉 忠朋（ Tadatomo Watanabe ） 独立行政法人土木研究所寒地土木研究所 正会員 三田村 浩（ Hiroshi Mitamura ）
室蘭工業大学大学院 フェロー 岸 徳光（Norimitu Kishi）
1.目的
北海道では，表面部のコンクリートが凍害劣化を受け ることによって，床版に損傷が発生して疲労寿命を低下 させる事例があり，供用された実物の床版を用いた載荷 実験によって，その事実が明らかになっている．
そこで，本研究では，補強工法に関する検討を行うた めに，凍害劣化をモデル化した供試体と，修復工法の効 果に着目した供試体を作成して，載荷実験を行った．
2.実験概要 2.1 供試体概要
供試体は，昭和 39 年に施工された実橋梁の床版をモ デルとして設定し,幅 2650mm×長さ 3300mm×厚さ 160mm の RC 床版とした．鉄筋については,実橋に合せて SR235 の丸鋼を用いている．表 1に供試体の材料諸元を，図 1 に供試体の配筋図を示す．
実験は，床版上面の凍害劣化をモデル化した供試体
（CASE1）と CASE1 に対して床版上面の補修・下面の補 強を施した供試体（CASE2）の 2 供試体で実施した．
CASE2 供試体は図 2 に示す順序で凍害劣化を受けた RC 床版の補修・補強を再現した供試体とした．
CASE2 供試体の下面側の補強は，低温下でも接着可能 な，炭素繊維をストランド状に加熱成形した後にすだれ 状に織りこんだ繊維シート（以下：ストランド型繊維シ ート）を，格子状に 25cm 幅のシートを 10cm 間隔で接着
した．写真 1に下面側の繊維シート貼付状況を示す．写 真 2には,上面側の断面修復の状況を示す
表 1 供試体諸元
CASE1 CASE2 備 考 基準供試体 補強供試体
mm 160 160
上面主鉄筋 径-間隔 φ16-260 φ16-260 下面主鉄筋 φ16-130 φ16-130 上面配力筋 φ13-230 φ13-230 下面配力筋 φ13-230 φ13-230 N/mm2 43.23 45.3 N/mm2 235 235 SR235
下面側補強材 - - 炭素繊維ｼｰﾄ ｽﾄﾗﾝﾄﾞ型
目付け量 g/m2 - 600
引張強度 N/mm2 - 3400以上
ヤング係数 kN/mm2 - 245
鉄筋の降伏強度 床板厚(mm)
ｺﾝｸﾘｰﾄ強度 鉄筋量
図 2 CASE2 供試体の実験フロー 床板製作(厚さ：160mm)
予備載荷(下面ひび割れを考慮)
凍害劣化をモデル化するため,ウォータジ ェットにて床版上面を20mm除去
超速硬コンクリートにて断面修復
床版下面をCFRPシートで補
本載荷
図 1 供試体配筋図
3300
鉄筋コンクリート床版 t=160mm 2650
10090 215 8@230=1840 215 90100
150 2350 150
4080 40
16070
下面配筋 上面配筋
100
90215 8@230=1840 215
90100 2650
φ16 φ 16
φ13 φ13
50831671501608@260=20801601501678350 50832@84=167 1502@80=16016@130=20802@80=160 150
2@84=167 8350 車輪走行範囲
2000
500
ひずみゲージ
変位計
平成21年度 土木学会北海道支部 論文報告集 第66号
Ａ－４９
2.2 荷重の載荷方法
実験には，クランク式の輪荷重走行試験機を用いた．
写真 4に輪荷重走行試験機を示す．
供試体は 2 辺単純支持，2 辺弾性支持とし，スパン中 央部の幅 500mm の載荷板上の 2000mm 範囲に鉄輪を往復 させて載荷した．図 3に輪荷重の載荷状況図を示す．
補強供試体は，初期損傷を与えるために予備載荷をお こなった．
予備載荷は，一般的に疲労劣化で補修が必要となるひ び割れを再現するため，劣化度を 0.5 相当に設定し、そ のたわみの目標値を設定して載荷した．なお，劣化度と たわみの関係は式（1）により算定し，劣化度を 0.5 と して，以下に示すように，たわみ 4.02mm とした．その 結果，150kN×2 千回載荷にて活荷重たわみが目標値に 達し予備載荷を終了した．
その後，床版下面に繊維シート補強を施し本載荷に移 行した．図 4に載荷プログラムを示す．CASE2 の補強供 試体は，120ｋN-10 万回，130kN-10 万回，150kN-10 万 回，170kN-10 万回，200kN-10 万回，230kN-10 万回，
260-kN6.2 万回まで荷重漸増載荷にて破壊まで行った．
CASE1 供試体については，120ｋN から荷重漸増載荷に て破壊まで実施した．
D=（δ－δ0）／（δc－δ0） (1) ここに，
D：劣化度（0＜D≦1）
δ ：床版中央におけるたわみ（実測値）
δ0：全断面のコンクリートを有効と見なした時 の床版中央におけるたわみ（計算値）
（＝1.62mm）
δc：中立軸以下の引張コンクリートを無視した 床版中央におけるたわみ（計算値）
（＝6.42mm）
劣化度 0.5 相当の活荷重たわみ δ＝0.5×（δc－δ0）+δ0
＝0.5×（6.42―1.62）+1.62＝4.02mm
3.実験結果および考察 3.1 破壊状況
図 5に、CASE1 および CASE2 供試体の走行回数とた わみの関係を示す.
図 6 には,CASE1 供試体の実験終了時のひび割れ図 を,写真 5,6,7には CASE1,CASE2 供試体の実験終了時 の写真示す.なお CASE2 供試体については,補強材であ る繊維シートで覆われているため,ひび割れ図の作成 が困難であった.
CASE1 供試体では 200kN×1.8 万回載荷時(総載荷回 数 41.8 万回)に，活荷重たわみが 11.2mm に増加し,床 版下面側の押抜きせん断破壊により終局に至った.ひ び割れ密度は，120kN×10 万回で 5m/m2に達し,130kN
×10 万回で 7.5m/m2に達した.以降は破壊に至るまで 緩やかに増えて行き,破壊時には 8.7m/m2程度であっ た.剥落は,中央から主鉄筋方向に約 50～75cm の位置
走行範囲 2000 200 載荷板
側面図
試験体
正面図
試験体 載荷板
500 図 3 輪荷重の載荷状況図
0 50 100 150 200 250 300 350 400
0 200,000 400,000 600,000 800,000
走行回数(回)
載荷荷重(kN)
120kN 130kN 150kN 170kN 200kN 230kN 260kN 本載荷（補強供試体）
本載荷（基準供試体）
予備載荷
（補強供試体）
図 4 荷重載荷プログラム 写真 4 輪荷重走行試験機(クランク式) 写真 1 補強供試体-下面側繊維ｼｰﾄ貼付け状況
写真 3 補強供試体-上面側断面修復状況
平成21年度 土木学会北海道支部 論文報告集 第66号
図 5 走行回数と変位の関係
0.0 5.0 10.0 15.0 20.0
0 200,000 400,000 600,000 800,000
走行回数(回)
変位(mm)
CASE1 CASE2 120kN
130kN 150kN
170kN 200kN
230kN 260kN
260kN×6万回
200kN×1万回
で発生している.
CASE2 供試体では 260kN×6.2 万回載荷時(総載荷回 数 66.2 万回)に，活荷重たわみが 16.2mm に増加し,床 版下面側の押抜きせん断破壊により終局に至った.
下面の繊維シートは全体的に剥離して，端部のみが接 着してハンモックのように吊り下がった状態で終了し た．しかし,シートの破断はなく，剥離に関しても，
コンクリートとシートの接着面が剥がれたのではなく，
両者は接着したままの状態でコンクリートの押し抜き せん断面から剥離していた．
3.2 剛性
図 7に①初期載荷時，②予備載荷時，③上面側のコ ンクリートの切削後の載荷時，④上面側のコンクリー トの補修後の載荷時，および⑤下面側の連続繊維シー ト補強後の載荷時の各状態別の荷重(P)とたわみ(δ) 関係から算定した剛性(K=P/δ)を示す．
①の初期剛性に対して②の予備載荷時の剛性は大き く低下している．これは，輪荷重の繰返し載荷により 下面側に発生したコンクリートのひび割れによる剛性 低下の影響と考えられる．
併せて，③の凍害劣化を模擬して 2cm 切削した場合 は，最も大きく剛性が低下している．これは，上面の 切削による圧縮抵抗領域の低下による影響と考えられ る．また，④の上面側のコンクリートの補修後の載荷 時では，予備載荷時の劣化状態と同程度の剛性に回復 している．これは上面側に補修されたコンクリートが 一体化していることを意味していると考えられる．こ れにより上面側の補修のみでも曲げ剛性の回復による たわみが減少することら，この状態でも，一定の補強 効果は得られるものと考えられる．ただし，すでに下 面側に発生したひび割れの影響が残存するため，圧縮 コンクリートの健全性によるせん断力の分担のみが補 修効果として現れると考えられる．⑤の下面側の連続 繊維シート補強後の載荷時では，繊維シートにより補 強することで，剛性はほぼ初期剛性まで回復すること が確認された．剛性が，ほぼ初期剛性まで回復するこ とは，ひび割れ幅の載荷による振幅が抑制され，RC 床版自体の変位が減少することを意味している．すな わち，連続繊維シートによって，ひび割れ面における 応力振幅が減少し，はり状化から押抜きせん断破壊に 図 6 CASE1 供試体ひび割れ図(実験終了時)
写真 7 CASE2 供試体-実験終了時 写真 6 CASE1 供試体-実験終了時
写真 5 CASE1 供試体-実験終了時
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至る過程に対して，ひびわれ面の劣化が抑制されるこ とが，連続繊維シートの補強効果の主要因として考え られる．
3.3 補強効果の推定
表 2に破壊時の繰返し載荷回数(以下破壊回数)につい て，以下に示す理論式と実験値の比較を示す.なお,破壊 回数は載荷荷重を 150kN 換算した値である.
理論式：log(P/Psx)=-0.078351logN+logC ここに,
P ：載荷荷重(kN)
Psx：梁状化した RC 床版の押抜きせん断耐力(kN) N ：繰返し回数（回）
C ：定数で,乾燥状態では 1.52
なお,補強床版の破壊回数は,以下のように寿命増加率 αf から試算した.試算の結果寿命増加率は 27.0 倍とな った.
αf=αn・αp・αc ここに,
αn：シート補強の中立軸の移動に伴う増加率 αp：床版の異方性度改善に伴う増加率 αc：ひび割れの拘束効果に伴う増加率
表 2より,基準供試体においては,理論式の破壊回数は 実験結果の破壊回数の,約 3 倍(288 万回/101 万回)とな っている.これは,本実験では,鉄筋に丸鋼を使用してい るため早期に鉄筋とコンクリートの付着破壊が生じ,鉄 筋のダウエル作用によるひび割れ部のせん断ばね剛性が 低下したため,劣化の進行速度が早まったことが要因の 一つとして考えられる. 補強供試体については,丸鋼鉄 筋の付着力の低下が下面側の繊維シートの付着力によっ て抑制されたことにより理論式と実験結果に顕著な差異 が見られなかったものと考える. (7770 万回/9495 万回
=0.81)
下面の繊維シート補強による補強による延命効果は, 実験結果からは 94 倍.理論式では 27 倍となるが,上記の
理論式における破壊回数が実験結果の破壊回数の約 3 倍 であることを考慮すれは,おおむね同等の結果が得られ ているものと考える（27×3=81 倍）.
4.まとめ
本研究は，積雪寒冷地において凍害劣化による上面 コンクリートの損傷劣化部の除去・補修し，下面に連 続繊維シート補強を施す補修補強工法の補強効果に関 して輪荷重走行試験を実施して，その補強効果の検討 を行った．以下に，本研究により得られた知見を要約 して示す．
① 害や疲労損傷した床版について，上面の損傷部 の除去・補修では初期剛性は回復できないが，
ウォータージェットなどにより既設コンクリー トと新設コンクリートの付着が確保できるよう な補修工法を用いることで，損傷部の補修によ り上面部が健全な状態の剛性まで回復すること ができる．なお，併せて，下面に連続繊維シー ト補強することで初期剛性まで回復が可能とな る．
②基準供試体に比べて，下面に繊維シート補強した 供試体は，約 94 倍の寿命の延命効果が得られた．
鉄筋が異形鉄筋の場合の破壊回数は,丸鋼の場合 のおおむね 3 倍程度であることが示唆された.
③床版下面に,繊維シートで補強を施した場合には 理論式と実験結果がほぼ近似しており,補強時は, 丸鋼と異形鉄筋の付着強度の違いが,疲労寿命に 与える影響として小さい可能性があることが示唆 された.
今後は,丸鋼と異形鉄筋の影響に着目した実験・検 討を実施して理論式と実験結果を精査していく予定で ある．
参考文献
1）
松井繁之：道路橋床版－設計・施工と維持管理－，森北出版，
2007
．2
）三田村，佐藤，本田，松井：道路橋ＲＣ床版上面の 凍害劣化と疲労寿命への影響，構造工学論文集，2009．3）安達，三田村，本田，松井：積雪寒冷地における橋
梁床版の劣化度に関する考察，土木学会年次論文集，2008
．4
）小野，林川，三田村，松井：積雪寒冷地におけるRC
床版の疲労耐久性向上について，土木学会年次論 文集，2008．5）小林，蔡，下西，松井：炭素繊維シート格子接着工
法により補強したRC
床版の疲労耐久性，コンクリー ト工学年次論文集Vol.27
，No.2
，2005
．6）松井繁之：道路橋床版～設計・施工と維持管理，
2007．
7）前田，松井：輪荷重移動装置による道路橋床版の疲
労に関する研究，第6
回コンクリート工学年次講演会 論文集，pp221-224,1984.
8）道路橋床版の設計の合理化と耐久性の向上，（社）
土木学会／鋼構造委員会，2004．
0.00 10.00 20.00 30.00 40.00 50.00 60.00 70.00 80.00
剛性：K=P/δ(ｋN/mm)
① ② ③ ④ ⑤
図 7 剛性の比較
下面ひび割れ 上面凍害劣化 上面補修 下面シート補強
表 2 繊維シート補強による延命効果
基準供試体 補強供試体 比率
(補強/基準）
理論式 2,877,600 77,695,200 27.0
実験結果 1,008,600 94,950,330 94.1 150ｋN換算破壊回数（回）
